Конспект урока "Путешествие в мир Оптики и Квантовой физики" по теме "Фотоэлектрический эффект.Применение фотоэффекта в технике"

Урок «Путешествие в мир

Оптики и Квантовой физики»

По теме: «Фотоэлектрический эффект. Применение фотоэффекта в технике».

Тема урока: «Фотоэлектрический эффект. Применение фотоэффекта в технике».

Цели урока: Дать понятия внешнего и внутреннего фотоэффектов, их свойств и применения.

Изучая законы внешнего фотоэффекта, обратить внимание обучающихся на значение опытов А.Г.Столетова по внешнему фотоэффекту и развития предпосылок для создания квантовой природы света. При обосновании уравнения Эйнштейна для внешнего фотоэффекта указать на универсальность закона сохранения энергии.

При объяснении сущности внутреннего фотоэффекта отметить вклад советского ученого А.Ф.Иоффе в развитии теории данного явления, выделить главное в большом объеме информации при помощи блок-схем, развить познавательный интерес,

продолжить формирование представлений о связи природы и духовного мира человека, учить находить и воспринимать прекрасное в природе, искусстве и трудовой деятельности, Воспитать чувство ответственности за порученное дело.

Тип урока: комбинированный.

Методы работы: наглядный, словесный, экспериментальный.

Оснащение урока: Мультимедийный проектор, компьютер, презентации, электрометр, ртутно-кварцевая лампа, фотоэлемент, гальванометр, лампочка на подставке, соединительные провода, механическая модель фотоэффекта.

Межпредметные связи:

Химия п.30, п.32.

Автоматизация производства п.73.

ХОД УРОКА

1. Орг. момент (3 мин.)

2. Проверка домашнего задания (20 мин.)- проводится игровым методом; c использованием презентаций выполненных заданий

Группа разделена на команды, игра состоит из нескольких заданий:

1. Мозговой атаки;

2. Решение качественных задач (Заморочки из нашей бочки);

3. Работы в парах (студенты решают задачи и правильность своего решения объясняют друг другу с помощью основных понятий и законов физики);

4. Репортаж с космического корабля «Proton-99-M» (Отрывок из фильма с озвучиванием. Студентам необходимо быть внимательными, заметить все неточности рассказа и объяснить их).

Результат выполнения задания оценивается жюри.

Ассистенты помогают проводить игру, дежурный фиксирует количество балов на электронном табло.

1. Мозговая атака:

   1. Какие опыты проводились по определению скорости света?

   2. Сформулируйте закон отражения света.

   3. Сформулируйте закон преломления света.

   4. Свойства рентгеновских лучей.

   5. Инфракрасное излучение. Свойства.

   6. Рассказать об опытах Ньютона по дисперсии света.

   7. Перечислить основные цветные лучи дисперсионного спектра.

   8. Виды спектров. Применение спектрального анализа.

   9. Дифракция и ее применение.

   10. Поляризация и ее применение, и т.д.

1. Заморочки из нашей бочки (качественные задачи).

   1. Известно, что длинна волны  связана со скоростью распространения света в данной среде и с показателем преломления n следующим образом.

₁/₂=C₁/C₂=n_1,2

Из этого равенства нетрудно заключить, что при переходе света из одной среды в другую длинна световых волн меняется. Если  в воздухе равна 0,65х10^-6 м. (красный свет), то в воде показатель преломления, который в воздухе составляет 1,33 длинна волны будет иметь значение ₂=₁/n_1,2, ₂=0,65х10^-6 м/1,33=0.49x10^-6 м (голубой цвет).

Подумайте не означает ли это, что ныряльщику находящемуся под водой, лучи света будут казаться голубыми.

1. В трудных условиях приходится работать сталеварам, имеющим дело с расплавленным металлом: его горячее «дыхание» буквально обжигает. Казалось бы, для облегчения условий труда, костюмы металлургов должны изготавливаться из материалов с низкой теплопроводимостью. На самом деле одежда их покрыта тонким слоем металла, являющегося отличным проводником тепла.

Почему так поступают?

Излучают ли электромагнитные волны горящие и не горящие дрова?

1. Почему прозрачна промасленная бумага, если сливочное масло и сама бумага не прозрачны?

2. Почему у кошки светятся глаза?

3. Какими будут казаться красные чернила, если они налиты в зеленую бутылку?

4. Чтобы это значило? (Демонстрируются рисунки)

5. Почему тела кажутся белыми, серыми, черными? Объясните. Итоги фиксируются по баллам после каждого этапа.

1. Работа в парах – обучающиеся выполняют тестовые задания., осуществляя взаимоконтроль выполненных заданий.

2. Репортаж с космического корабля " Proton-99-M "
   ( Отрывок из фильма с озвучиванием )

3. Все неточности рассказа заметить и объяснить

1. Изучение нового материала (45 мин ).

ПОСЛЕДОВ А ТЕЛЬНОСТЬ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА:

1. Понятие внешнего и внутреннего фотоэффекта.

1. Демонстрация разрядки электрометра при освещении светом.

2. Опыты Столетова.

4.Законы внешнего фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна.

1. Внутренний фотоэффект.

2. Применение фотоэффекта в технике.

Изучение нового материала

1. Определение внешнего и внутреннего фотоэффекта.
   Благодаря фотоэффекту происходит ионизация атомов вещества,
   изменяется электропроводимость тел и другие явления.

2. Продемонстрировать разрядку электрометра. Но первоначально задать вопросы обучающимся :

а) Почему положительно заряженный электрометр не разряжается при облучении его светом.

б) Можно ли облучая цинковую пластинку светом, зарядить ее.

3. Открытие фотоэффекта Г. Герцем.

Опыты А.Г. Столетова. По таблице рассказать об устройстве, принципе обнаружения и исследования фотоэффекта проведенного Столетовым. Провести беседу по вопросам :

а) Почему в цепи возникает ток, если цинковую пластинку облучать световым потоком. Какое техническое направ­ление тока в цепи?

б) Если не облучать цинковую пластину световым потоком,то тока в цепи нет. Почему?

в) Будет ли фототок, если на пути светового пучка,
идущего к цинковой пластине, расположить оконное стек­ло.

г) Как зависит значение фототока от интенсивности свето­вого потока.

Столетов установил, что фотоэффект создается ультрафиолетовыми лучами и его значение изменяется прямо пропорционально интенсивности этих лучей.

4. Познакомить обучающихся с современной установкой для исследования свойств внешнего фотоэффекта. Ввести понятие фототока, зависимости фототока от напряжения между электродами при постоянном све­товом потоке и от светового потока при постоянном напряжении. Дать формулировки и объяснить физическую сущность законов внеш­него фотоэффекта. На основании квантовой теории света и закона сохранения энергии представить уравнение Эйнштейна для внешнего фото­эффекта.

hv = А_я +A_e+mv² /2..

Энергия фотона hv поглощенного веществом при фотоэффекте сообщается электрону, связанному с атомом. За счет этой избыточной энергии электрон : а) отрывается от атома и совершает при этом работу, равную работе ионизации атома А_я ,

б) вылетает за приделы вещества и совершает работу, равную работе выхода,

в) приобретает кинетическую энергию -mv²/2.

В металлах электроны являются свободными, их не нужно отрывать от атома, поэтому уравнение Эйнштейна для металлов

hv=A_e + mv²/2.

Пояснить, что такое "красная граница" фотоэффекта, почему она наступает при кинетической энергии электрона, равной нулю.

5. Внутренний фотоэффект наблюдается в полупроводниках и диэлектриках.

При облучении полупроводника в нем происходит генерация свободных носителей электрических зарядов, генерация пар электрон - дырка.

Так как работа ионизации в полупроводниках сравнительно невелика ( по­рядка 3 - 4 эВ ), то внутренний фотоэффект можно вызвать более длинноволновым излучением, чем внешний. Дополнительная проводимость полупроводника, обусловленная облучением, называется фотопроводимостью.

6. Устройства, действия которых основаны на использовании фотопроводимости полупроводников, называются фотосопротивлениями или фоторезисторами.

Достоинства фоторезисторов: высокая фоточувствительность, большой срок службы, малые размеры, простота изготовления, возможность выбора фотосопротивлений для нужного интервала волн.

Недостатки: зависимость сопротивления от температуры окружающей Среды, инерционность, отсутствие прямой пропорциональной зависимости между током в цепи и интенсивностью освещения .

Внутренний фотоэффект широко используется для превращения энергии излучения в электрическую энергию в полупроводниковых фотоэлементах с р-п-переходом. Большое распространение получили кремниевые фотоэлементы в устройстве солнечных батарей, которые применяются на искусственных спутниках и космических кораблях, орбитальных научных станциях, в гелиоустановках.

МЕХАНИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФОТОЭФФЕКТА

1-2-стальные шарики;

3- плоскость;

4-горизонт, поверхность;

5-штатив.

IV. Закрепление материала (20 мин. )

а) составить блок – схему по изучаемой теме, презентацию « Применение фотоэффекта»

История открытия

фотоэффекта

Объяснение фотоэффекта

Применение

кино

маяки

Первый з-н

In ~ Ф

Уравнение Эйнштейна

Автоматизация и контроль производства

Солнечные батареи, искусственные спутники Земли, в орбитальных научных станциях.

Второй з-н, если

U=U₃, то I=0

E_k=A=mv²/2=eU₃

Третий закон Для каждого вещества существует максимальная длина волны, при которой фотоэффект ещё наблюдается. при больших длинах волн фотоэффекта нет.

б) Решить задачу. Работа выхода электрона из кадмия 4,08 эВ. Какой должна быть длина волны излучения, падающего на кадмий , чтобы при фотоэффекте максимальная скорость фотоэлектронов была 5* 10⁵ м/с.

( 259нм)

в) Определить максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов калия при его освещении излучением с длиной волны 500 нм. Работа выхода электронов из калия равна 2,26 эВ.

(0,356Дж)

Дано: РЕШЕНИЕ

Ав=4,08эВ=4,08х1,6х10^-19Дж

=5х10¹⁵ м/с

 - ?

с=3x10⁸ м/с

h=6,62х10^-34Дж с

m=9,1х10^-31 кГ

Ответ: 259 (нм)

Задача. Определить красную границу фотоэффекта у хлористого натрия, работа выхода электронов, которого равна 4,2эВ.

Дано: РЕШЕНИЕ

А_в=4,2эВ

с=3х10⁸ м/с

h=6,62х10^-34 Дж с

_кр - ?

V.Дом. задание (2 мин.)

Мякишев Г.Я.Физика -11 -Стр.257-260., упр.12 № 2,3.4.